奧氏體不銹鋼S31608焊接工藝及接頭性能

李戰斌， 柳云天， 徐祥久,2， 劉海,2

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

奧氏體不銹鋼由于其良好的力學性能，耐高溫、耐腐蝕性能，在石化容器制造中獲得廣泛應用，常見奧氏體不銹鋼包括304L，316L等。S31608的含碳量為0.04%～0.08%，相對304L，316L而言，較高的碳含量可以提高不銹鋼的高溫強度和抗氧化性能，可用于高溫結構，但是較高的含碳量會影響不銹鋼的焊接性能和耐蝕性能[1]。由于含碳量超過0.03%的非穩定性的奧氏體不銹鋼(不含Ti或Nb的牌號)，在650 ℃以上加熱時，或者緩慢冷卻通過這個溫度區間時，將會在晶界析出鉻的碳化物，并造成最鄰近的區域Cr貧化使得這些區域對腐蝕敏感，即發生敏化作用。所以S31608奧氏體不銹鋼比低含碳量的304L，316L奧氏體不銹鋼更容易發生晶間腐蝕。

由于焊接接頭的性能直接影響奧氏體不銹鋼產品的整體可靠性，因此，研究S31608奧氏體不銹鋼的焊接特性，選擇合適的焊接材料，制定合理的焊接工藝方案，是保證S31608奧氏體不銹鋼產品質量的關鍵。

1 焊接工藝及材料

焊接工藝評定試驗采用板狀試件，進行平焊位置對接試驗，焊接方法為M-GTAW+SMAW+SAW。焊接完成后對焊縫進行100%PT和100%RT檢驗，無損檢驗合格后，進行力學性能檢驗、晶間腐蝕檢驗和宏微觀性能檢驗。

1.1 試驗材料

試驗采用S31608試板，試板規格為600 mm×150 mm，厚度為32 mm。根據試板的化學成分選擇匹配的焊材，氬弧焊焊絲采用ER316H，規格為φ2.4 mm；焊條采用E316H-16，規格為φ3.2 mm，φ4.0 mm；埋弧焊焊絲為ER316H，規格為φ3.2 mm。試板和主要焊材的化學成分見表1。由表1可見，奧氏體不銹鋼S31608和焊材中添加了2.00%～3.00%的Mo元素，使其具有優秀的耐蝕性、耐高溫和抗蠕變性能，而0.04%～0.08%的較高含碳量，則會降低可焊性，易發生敏化作用，產生晶間腐蝕。

表1 試板和主要焊材的化學成分(質量分數，%)

1.2 焊接工藝

焊接坡口示意圖如圖1所示，焊接工藝參數見表2。

焊接時，根部首先用手工鎢極氬弧焊焊接兩層，實現單面焊雙面成形，焊接過程中進行背面氣體保護；第3～8層采用焊條電弧焊，第3層使用φ3.2 mm焊條填充，第4～8層使用φ4.0 mm焊條填充；其余使用埋弧焊填充蓋面。具體焊接參數見表2。焊接過程中控制層間溫度上限為150 ℃。

圖1 焊接坡口圖

表2 焊接工藝參數

2 試驗方法

焊接完成后，進行了RT和PT檢測，均為Ⅰ級合格，然后采用WE-60型液壓萬能材料試驗機進行4組彎曲試驗；采用WE-60型液壓萬能材料試驗機進行2組拉伸試驗；采用AXIOVERT200MAT型金相顯微鏡及圖像分析系統進行宏觀檢驗、微觀檢驗；采用THVS-50型維氏硬度計進行硬度測試；采用YT-4B型智能型晶間腐蝕試驗裝置和WYE-S100型晶間腐蝕彎曲試驗機，按照GB/T 4334—2008中E法即不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法進行晶間腐蝕試驗。

3 試驗結果

3.1 彎曲和力學性能檢驗

彎曲試樣拉伸面焊縫和熱影響區內無開口缺陷；在室溫條件下進行拉伸試驗，抗拉強度為614 MPa和608 MPa，高于母材抗拉強度(520 MPa)，斷裂位置在母材上。

對SMAW和SAW部位焊接接頭進行硬度檢驗，結果如圖2所示，焊縫硬度值略高于母材及熱影響試驗區。

圖2 硬度檢驗結果

3.2 宏觀性能檢驗

對焊接接頭進行宏觀檢驗，如圖3所示。由宏觀照片可以看出焊縫焊道分布清晰，焊道間不存在未熔合、未焊透的現象，焊縫和熱影響區均無裂紋、氣孔等缺陷。

圖3 宏觀形貌

3.3 微觀性能檢驗

對焊接接頭進行微觀金相組織觀察，包括母材、焊縫和熱影響區，如圖4所示。

圖4 金相組織照片

圖4a為S31603母材金相組織，母材組織為致密均勻的奧氏體等軸晶晶粒。

圖4b為焊縫金屬金相組織，奧氏體枝晶比較均勻，也沒有明顯的粗化，焊縫組織為幾乎平行的柱狀晶及二次結晶形成的胞狀晶，殘余鐵素體沿晶界分布，這是因為奧氏體鋼的熱膨脹系數小，導熱性差，熔池冷卻速度慢、溫度梯度小，使得晶粒一次結晶長大為柱狀晶，殘余δ鐵素體沿晶界分布，由于δ鐵素體強烈形核效果，熔池冷卻過程中，晶粒沿晶界二次結晶形成細小胞狀晶，并沿晶界生長。奧氏體不銹鋼焊縫熔敷金屬中含適量的鐵素體有利于提高焊縫抗熱裂紋和晶間腐蝕的能力。

圖4c為HAZ金相組織，熱影響區范圍較小，HAZ組織略有長大，但仍為奧氏體等軸晶，焊縫晶粒沿母材原晶粒方向生長，指向焊縫中心。

3.4 晶間腐蝕試驗

在SMAW和SAW焊接部位各取一組晶間腐蝕試樣，規格為80 mm×20 mm×3.5 mm。采用不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法進行晶間腐蝕試驗。在10倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面，無因晶間腐蝕產生的裂紋，如圖5所示。這與焊接工藝和焊縫組織有很大的關系，在焊接過程中，始終使用較小熱輸入(≤21 kJ/cm)，控制較低的層間溫度，盡量減少接頭在敏化區的停留時間；而焊縫中δ鐵素體均勻分布在奧氏體晶界中，阻隔晶界延伸，有效降低了焊接接頭的晶間腐蝕的傾向[2]。

圖5 晶間腐蝕試驗

4 結論

該工藝采用手工鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和埋弧焊組合的焊接方法，采用較小線能量，控制較低的層間溫度，能夠獲得合格的奧氏體不銹鋼S31608焊接接頭。焊接接頭的力學性能優良，抗拉強度達到614 MPa，焊縫組織為奧氏體和鐵素體，宏微觀組織完好無缺陷，抗晶間腐蝕性能優良，滿足奧氏體不銹鋼S31608工程應用要求。